Resumo gráfico do estudo. Conforme indicado pelas setas vermelhas escuras, o fluido que flui através de um tubo cilíndrico estreito se move em velocidades diferentes:mais rápido próximo ao centro do tubo do que nas bordas (fluxo Poiseuille). A camada em contato com a superfície interna do tubo é conhecida como camada deslizante ou camada de depleção, e permite que o fluido em massa "deslize" pelas paredes de forma mais eficiente. A equipe IBS desenvolveu uma nova técnica (STED-anisotropia) para medir experimentalmente o que acontece diretamente na camada de deslizamento, e mudanças caracterizadas na dimensão e composição da camada de depleção em função da taxa de fluxo. A análise cuidadosa dos tempos de relaxamento do polímero mostra que acima de uma taxa de fluxo crítica, as forças de cisalhamento levam ao alongamento e ao alinhamento do polímero (corrente com contas brancas) ao longo da direção paralela ao fluxo. Crédito:Institute for Basic Science
Seja óleo jorrando através de dutos ou sangue circulando pelas artérias, como os líquidos fluem através dos tubos é talvez o problema mais fundamental na hidrodinâmica. O desafio é maximizar a eficiência do transporte, minimizando a perda de energia devido ao atrito entre o líquido em movimento e as superfícies do tubo estacionário. Contra-intuitivamente, adicionando uma pequena quantidade de grande, polímeros de movimento lento para o líquido, formando assim um "líquido complexo, "leva a mais rápido, transporte mais eficiente. Este fenômeno foi especulado como decorrente da formação de camada fina ao redor da parede interna do tubo, conhecido como camada de depleção ou camada dividida, em que a concentração de polímero foi significativamente menor do que na solução a granel. Contudo, dada a finura inerente desta camada, que tem apenas alguns nanômetros de espessura, na ordem do tamanho do polímero, a observação experimental direta era difícil, e assim o progresso no campo dependia fortemente de medições em massa e simulações de computador.
Pesquisadores do Center for Soft and Living Matter, dentro do Institute for Basic Science (IBS, Coreia do Sul), fez um avanço significativo no campo ao obter imagens da camada de depleção em soluções de polímero que fluem através de microcanais. Seu estudo, publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences , contou com o desenvolvimento de uma nova técnica de microscopia de super-resolução que permitiu aos pesquisadores ver esta camada com resolução espacial sem precedentes.
A primeira observação desse fenômeno foi feita há quase um século. Estudos experimentais em soluções de polímero de alto peso molecular revelaram uma observação intrigante:havia uma aparente discrepância entre a viscosidade medida da solução de polímero e a taxa na qual ela fluía através de um tubo estreito. A solução de polímero sempre fluiria mais rápido do que o esperado. Além disso, quanto mais estreito o tubo, quanto maior for essa discrepância. Isso despertou um interesse que persiste até hoje.
"A dinâmica da camada de esgotamento foi um problema que achamos muito interessante, mas foi um desafio fazer progresso com as técnicas experimentais atuais, "diz John T. King, o autor correspondente no estudo. "Sabíamos que o primeiro passo precisava ser o desenvolvimento de uma técnica que pudesse fornecer novas informações."
Usando sua experiência em microscopia de super-resolução, Parque Seongjun, o primeiro autor do estudo, desenvolveu uma nova adaptação de microscopia de depleção de emissão estimulada (STED) que tem resolução espacial suficiente e sensibilidade ao contraste para observar diretamente as camadas de depleção. Ao mesmo tempo, Anisha Shakya, o co-autor do estudo, aplicou seu conhecimento de física de polímeros para otimizar um sistema de imagem adequado. A equipe decidiu que a melhor abordagem seria aplicar a imagem de anisotropia STED recentemente desenvolvida a uma solução de polímero de alto peso molecular, sulfonato de poliestireno (PSS), fluindo através de canais microfluídicos de sílica de 30 μm de largura.
O comportamento do PSS foi rastreado com a ajuda de corantes fluorescentes. As interações transitórias entre as cadeias laterais de PSS e o corante retardam o movimento de rotação da molécula do corante. Essas pequenas mudanças revelam a posição e concentração do PSS com uma resolução espacial de 10s de nanômetros.
Os pesquisadores primeiro confirmaram a formação de camadas de depleção na parede e mediram se as dimensões da camada de depleção eram consistentes com o tamanho do PSS. Eles então observaram que a espessura da camada de depleção estreitou quando a solução começou a fluir. Interessantemente, mudanças na dimensão da camada de depleção somente começam após uma taxa de fluxo crítica que corresponde a mudanças conhecidas na conformação do polímero. Esta foi a primeira confirmação experimental direta desse fenômeno, que foi previsto a partir de simulações de dinâmica molecular anos atrás.
Surpreendentemente, também foi observado que mudanças na composição da camada de depleção ocorrem em taxas de fluxo inesperadamente baixas. Em particular, segmentos de polímero são puxados para longe da parede, deixando solvente quase puro, sem polímeros, perto da parede. Isso pode ser atribuído às forças de elevação hidrodinâmica, como elevação aerodinâmica em aviões, que surgem do fluxo assimétrico na parede. Embora a elevação hidrodinâmica tenha sido bem caracterizada em simulações de computador, e observada em sistemas macroscópicos, (por exemplo, linguados lutam contra este levantamento melhor do que outros animais devido à sua forma mais plana), observações experimentais diretas em escalas de comprimento nanoscópicas permaneceram indefinidas.
Prevê-se que esta abordagem promissora pode fornecer novas informações sobre fluidos complexos em fluxo em diferentes regimes, como fluxo turbulento, como o que é visto em rios que fluem rapidamente, ou fluxo através de dispositivos nanofluídicos.
